機(jī)械化配套施工在隧道中的應(yīng)用研究

周立旋

(中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司,浙江 湖州 313000)

1 工程概述

新建贛州至深圳鐵路客運(yùn)專線(江西段)起止里程為DK89+400～DK101+855.6,正線長(zhǎng)度12.485 km,其中古龍南隧道全長(zhǎng)10 240.225 m,線路近正北偏西走向,為控制性重難點(diǎn)工程。其中Ⅱ級(jí)圍巖4 450 m,Ⅲ級(jí)圍巖2 500 m,Ⅳ級(jí)圍巖1 690 m,Ⅴ級(jí)圍巖1 480.225 m,Ⅵ級(jí)圍巖120 m,受熔巖發(fā)育的影響存在突泥災(zāi)害、涌水災(zāi)害等不良地質(zhì)的斷層有11條,存在圍巖整體性能差,易塌方、涌水、巖爆等諸多不確定因素的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 機(jī)械化配套

2.1 機(jī)械化配套原則

1)大型施工設(shè)備選型應(yīng)與施工方法配套,結(jié)合工期以及隧道自身規(guī)模為主要考慮因素,選擇以穩(wěn)定的電力能源為主,減少能源短缺造成停機(jī)待工；減少過(guò)程污染與后期配套設(shè)備的投入,達(dá)到降低使用成本的目的。

2)充分考察廠家的生產(chǎn)能力、市場(chǎng)售后、使用反饋與性價(jià)比情況。

3)選用從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備,需結(jié)合企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略要求,要考慮到售后維保與故障報(bào)修服務(wù)是否便捷,易損件、零配件與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)其他同類機(jī)型通用的可行性[1]。

2.2 作業(yè)線配套

1)鉆爆與裝運(yùn)作業(yè)線機(jī)械化配套,配置單臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車在掌子面鉆孔,采用全斷面光面爆破技術(shù)進(jìn)行隧道一次性開(kāi)挖作業(yè),配置小松型號(hào)380裝載機(jī)2臺(tái),挖掘機(jī)2臺(tái)，自卸汽車9臺(tái),配合清理掌子面作業(yè)并出渣。

2)錨噴作業(yè)線機(jī)械配套,噴射混凝土采用鐵建重工HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車進(jìn)行作業(yè),通過(guò)施工方案編制的2臺(tái)/班次,在拌合站裝車后以流水線方式向隧道內(nèi)送料。錨桿孔采用三臂鑿巖臺(tái)車或C6XP E-D/C6XP-2系列多功能鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔,配合人工安裝[1]。

3 三臂鑿巖臺(tái)車的管理模式與技術(shù)特點(diǎn)

3.1 全電腦三臂鑿巖臺(tái)車

鐵建重工ZYS113全電腦三臂鑿巖臺(tái)車,引進(jìn)的是挪威AMV公司技術(shù)配置智能化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),在國(guó)內(nèi)自主化生產(chǎn),是在普通液壓三臂鑿巖臺(tái)車基礎(chǔ)上的融合創(chuàng)新升級(jí)。其機(jī)械化、信息化、智能化性能得到極大提高,只需要將圍巖等級(jí)與爆破設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中,一鍵啟動(dòng)三個(gè)鉆臂能根據(jù)后臺(tái)系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的路徑,實(shí)現(xiàn)整機(jī)在隧道內(nèi)精確定位與多臂同步角度調(diào)整,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行和切換成人工操作的方式進(jìn)行工作；其鉆孔效率高,確保了精確度的技術(shù)性要求和突破了多項(xiàng)隧道鉆爆施工技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互聯(lián)的操控目標(biāo),符合特長(zhǎng)隧道機(jī)械化配套施工的技術(shù)要求。

3.2 建立組織機(jī)構(gòu)加強(qiáng)臺(tái)車的操作及維保管理

1)機(jī)械操作手的技能要求,操作人員必須經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間的嚴(yán)格訓(xùn)練并經(jīng)考核達(dá)標(biāo)后,方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操以確保安全和使用效果。操作手對(duì)鉆臂距離的掌握必須熟練,才能在手動(dòng)操作調(diào)整時(shí)鉆出的孔距分布均勻。

2)由于施工過(guò)程不可間斷的特殊情況,充分考慮到機(jī)組與維保人員的作息時(shí)間。對(duì)隨機(jī)人員須配備組織管理機(jī)構(gòu),方便工作有序銜接。設(shè)置隊(duì)長(zhǎng)(兼調(diào)度崗)1人,副隊(duì)長(zhǎng)(兼機(jī)具庫(kù)管理員)1人以及兩套操作班組和兩套維保班組。每套操作班組配置正副機(jī)手2人,普通操作人員1人。

3)每班組作業(yè)完成后,必須對(duì)當(dāng)班次在作業(yè)過(guò)程中,設(shè)備使用情況作出詳細(xì)的記錄說(shuō)明并一對(duì)一交接,以便接班人員提前熟悉該設(shè)備狀況和維保班組的及時(shí)跟進(jìn)。強(qiáng)制實(shí)施“1+1”管理模式,即每班的作業(yè)工序完成后,必須按照編制的《管理與維保制度》執(zhí)行強(qiáng)制維保工作,在作業(yè)前消除故障隱患,確保下一班次人員對(duì)設(shè)備的安全操作，以保證設(shè)備功能的完好率。

3.3 工藝流程

1)單孔鉆進(jìn)施工工藝：測(cè)量定位→設(shè)備進(jìn)場(chǎng)就位→推進(jìn)梁定位→進(jìn)行試鉆作業(yè)→全功率鉆孔作業(yè)→進(jìn)行清孔工作→操縱推進(jìn)梁返回移位→繼續(xù)后續(xù)孔位施工流程。

2)全電腦三臂鑿巖臺(tái)車施工工藝：事前準(zhǔn)備→設(shè)備定位→鉆孔與清孔施工→人工裝藥→人員與設(shè)備退場(chǎng)→啟動(dòng)爆破→通風(fēng)降塵→排險(xiǎn)出渣→爆破質(zhì)量確認(rèn)→后續(xù)循環(huán)施工流程[1]。

3.4 隧道開(kāi)挖支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)組織管理

全斷面鉆爆工藝流程為以下步驟：

1)在施工之前,當(dāng)三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)入隧道時(shí),需提前準(zhǔn)備好水電接入與工作人員就位工作,然后從測(cè)量放樣開(kāi)始,在充分了解前方地質(zhì)報(bào)告情況后啟動(dòng)施工,確保與后續(xù)施工流程有效銜接；

2)裝藥施工,是在鉆孔工作完成后有序銜接下一環(huán)節(jié),由專業(yè)施工人員立即進(jìn)行吊籃清孔裝藥工作；

3)支護(hù)準(zhǔn)備工作,是在施工初期階段將符合設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)規(guī)范的材料的進(jìn)場(chǎng)時(shí)間,與臺(tái)車出洞的時(shí)間進(jìn)行規(guī)范有效的連接；

4)修復(fù)處理工作,是在排險(xiǎn)出渣流程環(huán)節(jié)后,將現(xiàn)場(chǎng)鉆爆施工后的測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給專業(yè)施工人員,在精準(zhǔn)地了解爆破情況后再作出有效的修復(fù)處理,并加強(qiáng)初期支護(hù)工作的質(zhì)量管控；

5)使用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)功能,采集并掌握掌子面前端地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況,和工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際發(fā)生信息情況進(jìn)行有效對(duì)比分析,必要時(shí)及時(shí)調(diào)整鉆爆數(shù)據(jù),從而保證鉆爆效果并滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車的結(jié)構(gòu)介紹

4.1 濕噴臺(tái)車主要特點(diǎn)介紹

1)HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車作業(yè)時(shí)的工作效率,可以達(dá)到30 m3/h；然而傳統(tǒng)干式混凝土噴射機(jī)和小型濕式混凝土噴射機(jī),受到設(shè)備自身設(shè)計(jì)的限制與施工環(huán)境的制約,工作效率一般不超過(guò)5～10 m3/h。

2)安全性能好,整機(jī)采用斜支腿支撐,整機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng),配備了防傾翻報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)具有故障顯示功能。采用遙控控制設(shè)備進(jìn)行噴射作業(yè),較大降低了機(jī)身周邊和操作手周邊的粉塵濃度,提高了操作人員的安全性。

3)HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車,其水灰比易于調(diào)整控制，能均勻噴射到作業(yè)面,提高了混凝土的密實(shí)度和勻質(zhì)性,使噴射質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)規(guī)范,而且可將噴射混凝土回彈率降低到10%以下,很大程度上改善了噴射混凝土的品質(zhì),減少了材料的流失與浪費(fèi),提高了施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。

4)該設(shè)備的自動(dòng)化程度較高,添加劑、泵送機(jī)構(gòu)、空氣系統(tǒng)高度集中在設(shè)備上,可根據(jù)混凝土的噴射方量結(jié)合配比,自動(dòng)調(diào)節(jié)添加劑的添加量；確保了噴射效果且使用安全,一鍵操作簡(jiǎn)單易學(xué)。其臂架結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活,可實(shí)現(xiàn)整體滑移,同時(shí)設(shè)計(jì)配置了一個(gè)行走功能、二級(jí)回轉(zhuǎn)功能、三節(jié)折疊臂功能和一個(gè)伸縮的功能,可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)噴射功能。

5)HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車適應(yīng)性好，采用自行式配置了自制剛性底盤(pán)和實(shí)心輪胎,可以實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向,擁有前后雙駕駛室駕駛,電子油門(mén)自動(dòng)擋駕駛,適應(yīng)復(fù)雜道路和各種隧道施工。噴射范圍大,設(shè)計(jì)的最大噴射高度為17.5 m,可實(shí)現(xiàn)最大噴射寬度為31.4 m,其使用范圍可覆蓋國(guó)內(nèi)大部分在建隧道工程。

4.2 主要部件介紹

4.2.1 泵送機(jī)構(gòu)

1)HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車泵送機(jī)構(gòu),采用國(guó)內(nèi)成熟的混凝土泵送技術(shù),確保了混凝土的可靠輸送；

2)HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車,泵送系統(tǒng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了自動(dòng)反泵和人工反泵兩種功能,當(dāng)傳感器信號(hào)發(fā)出堵管信息后,設(shè)備中控系統(tǒng)會(huì)傳達(dá)進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的自動(dòng)反泵工作及時(shí)消除堵管現(xiàn)象,當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重堵管現(xiàn)象時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行人工反泵操作及時(shí)消除堵管現(xiàn)象；

3)最大輸送能力為30 m3/h,最大輸送壓力為8 MPa。

4.2.2 臂架機(jī)構(gòu)

1)HPS3016S噴射臺(tái)車臂架系統(tǒng)國(guó)內(nèi)首次采用獨(dú)特的二級(jí)回轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和可以前后移動(dòng)的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),配合全液壓驅(qū)動(dòng)的三節(jié)折疊臂和一節(jié)伸縮臂的結(jié)構(gòu),使臂架同時(shí)具有一個(gè)整體滑移，一個(gè)小臂伸縮,兩級(jí)回轉(zhuǎn)和三節(jié)臂折疊的功能；

2)獨(dú)特的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)兩種切換模式,依據(jù)實(shí)際情況將噴射功能作調(diào)整；

3)當(dāng)自動(dòng)噴射作業(yè)時(shí)如遇到隧洞被超挖現(xiàn)狀,可應(yīng)用小臂的伸縮功能,由人工操作調(diào)整到合適的噴射距離；

4)靈活的噴頭結(jié)構(gòu),兩個(gè)擺動(dòng)油缸動(dòng)作快速靈活,軸向回轉(zhuǎn)360°,徑向回轉(zhuǎn)240°,真正實(shí)現(xiàn)了噴漿無(wú)死角,噴頭跟隨人的想法動(dòng)作。

4.2.3 添加劑系統(tǒng)

1)添加劑系統(tǒng)用于改善噴射混凝土的凝固時(shí)間；

2)當(dāng)各種規(guī)格混凝土和各種類的添加劑的配比輸入系統(tǒng)后,設(shè)備系統(tǒng)會(huì)按照泵送量以設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)配比添加劑,且添加劑的摻量可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作適當(dāng)?shù)男薷恼{(diào)整。

5 在施工應(yīng)用中的比較與使用建議

5.1 臺(tái)車與人工在施工進(jìn)度與成本耗費(fèi)中的對(duì)比

通過(guò)對(duì)ZYS113全電腦三臂鑿巖臺(tái)車一段時(shí)間的使用,對(duì)比人工鑿巖在施工中所花費(fèi)時(shí)間、進(jìn)尺、成本方面,得出使用三臂鑿巖臺(tái)車比人工鑿巖具有較明顯的進(jìn)度優(yōu)勢(shì)。表1為每循環(huán)工效及工作200 m的數(shù)據(jù)歸集對(duì)比[2]。

表1 臺(tái)車開(kāi)挖與人工開(kāi)挖施工對(duì)比

5.2 HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車與傳統(tǒng)濕噴機(jī)工作比較

通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車的使用,總結(jié)出其具有整車性能穩(wěn)定，操作操控便捷，泵送噴射的生產(chǎn)效率高，混凝土回彈率低，噴射質(zhì)量檢測(cè)優(yōu)良，整體安全性高等多種優(yōu)勢(shì),適合在各種地質(zhì)條件下施工。在職業(yè)健康方面,操作人員遠(yuǎn)離噴射面，造成的粉塵小,在很大程度上改善了施工環(huán)境,與傳統(tǒng)的濕噴工藝對(duì)比有較明顯的優(yōu)勢(shì)(詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2)[2]。

6 使用體驗(yàn)與建議

6.1 全電腦三臂鑿巖臺(tái)車

1)臺(tái)車施工用水量較大(1 min約300 L水),對(duì)供水條件與水質(zhì)方面要求較高。

2)三臂鑿巖臺(tái)車在施工中,常應(yīng)用于硬質(zhì)圍巖中,在軟質(zhì)巖施工中常采用分部開(kāi)挖施工工藝,在軟弱圍巖的施工中采用的則是大斷面施工法； 需積極

表2 傳統(tǒng)濕噴機(jī)與HPS3016混凝土濕噴臺(tái)車工效對(duì)比

溝通設(shè)計(jì)單位, 結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試情況動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)方案,提高超欠挖方面的控制。

3)目前易損件方面配件費(fèi)偏高,還存在操作人員缺少，操作員工資較高,人才培養(yǎng)需要時(shí)間與過(guò)程,短期不利,長(zhǎng)期向好。

4)目前三臂鑿巖臺(tái)車的鉆頭規(guī)格是45 mm,炸藥規(guī)格為32 mm,導(dǎo)致鉆眼與炸藥有13 mm間隙,為達(dá)到爆破效果增加了炸藥的使用量,需改進(jìn)鉆頭的設(shè)計(jì),降低炸藥使用量達(dá)到降本增效。

6.2 HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車

1)當(dāng)混凝土連續(xù)作業(yè)方量達(dá)到80 m3時(shí)會(huì)有報(bào)警提示,散熱系統(tǒng)建議有待改進(jìn)。

2)速凝劑儲(chǔ)料罐容量偏小,建議增大儲(chǔ)料罐容量,將理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際需求進(jìn)行有效結(jié)合。

7 結(jié) 語(yǔ)

鐵建重工研發(fā)的ZYS113全電腦三臂鑿巖臺(tái)車,在設(shè)計(jì)與配置上比現(xiàn)有其他型號(hào)三臂鑿巖臺(tái)車實(shí)現(xiàn)了智能化鉆孔作業(yè),更具有創(chuàng)新和先進(jìn)性,更好地提高了鉆爆效果和施工進(jìn)度；HPS3016S混凝土濕噴臺(tái)車操作便捷、生產(chǎn)率高、回彈率低、粉塵少、職業(yè)危害小,適合在各種地質(zhì)條件下施工。通過(guò)對(duì)大型專業(yè)設(shè)備一段時(shí)間的應(yīng)用,在隧道開(kāi)挖與噴錨方面達(dá)到了安全、環(huán)保、高效施工的預(yù)期目的。今后長(zhǎng)大隧道施工的發(fā)展趨勢(shì)是將施工機(jī)械向配套化、專業(yè)化、智能化等方向發(fā)展,操作人員則從普通工人向骨干型操作能手方向培養(yǎng)。為使之更快地得到推廣與應(yīng)用,還需進(jìn)一步探索和實(shí)踐,為機(jī)械配套化隧道工程施工積累管理與使用經(jīng)驗(yàn)。